Введение
Процесс нагрева электрически проводящего объекта электромагнитной индукцией
Индукционный нагрев – это процесс нагрева электрически проводящих материалов, в частности металлов или полупроводников, посредством электромагнитной индукции, при котором тепло передается через индуктор, создающий электромагнитное поле внутри катушки для нагрева и, возможно, плавления стали, меди, латуни, графита, золота, серебра, алюминия или карбида. Важная особенность индукционного нагрева заключается в том, что тепло генерируется внутри самого объекта, а не внешним источником тепла посредством теплопроводности. Таким образом, объекты могут нагреваться очень быстро. Кроме того, не требуется внешнего контакта, что может быть важно в условиях, где недопустимо загрязнение. Индукционный нагрев применяется во многих промышленных процессах, таких как термообработка в металлургии, выращивание кристаллов методом Чохральского и зонная плавка, используемые в полупроводниковой промышленности, а также для плавления тугоплавких металлов, требующих очень высоких температур. Он также используется в индукционных плитах. Индукционный нагреватель состоит из электромагнита и электронного генератора, пропускающего через электромагнит высокочастотный переменный ток (AC). Быстро меняющееся магнитное поле проникает в объект, генерируя внутри проводника электрические токи, называемые вихревыми токами. Вихревые токи, проходя через сопротивление материала, нагревают его за счет эффекта Джоуля. В ферромагнитных и ферримагнитных материалах, таких как железо, тепло также генерируется за счет потерь на магнитную гистерезис. Частота электрического тока, используемого для индукционного нагрева, зависит от размера объекта, типа материала, степени связи (между рабочей катушкой и нагреваемым объектом) и глубины проникновения.
Приложения
Индукционный нагрев позволяет точечно нагревать обрабатываемые детали для таких применений, как поверхностное упрочнение, плавление, пайка и сварка, а также нагрев для подгонки. Благодаря своим ферромагнитным свойствам, железо и его сплавы наиболее эффективно нагреваются индукционным способом. Однако вихревые токи могут генерироваться в любом проводнике, а магнитный гистерезис – в любом магнитном материале. Индукционный нагрев применяется для нагрева жидких проводников (например, расплавленных металлов) и газообразных проводников (например, газовой плазмы – см. технологию индукционной плазмы). Индукционный нагрев часто используется для нагрева графитовых тиглей (содержащих другие материалы) и широко применяется в полупроводниковой промышленности для нагрева кремния и других полупроводников. Для многих недорогих промышленных применений используется индукционный нагрев с частотой сети (50/60 Гц), поскольку инверторы не требуются.
Печь
Индукционная печь использует индукцию для нагрева металла до точки плавления. После расплавления высокочастотное магнитное поле также может использоваться для перемешивания расплава, что обеспечивает полное смешивание легирующих добавок. Большинство индукционных печей состоят из трубки, образованной медными кольцами с водяным охлаждением, окружающими футерованный огнеупорным материалом тигель. Индукционные печи применяются на большинстве современных литейных предприятий как более экологичный способ плавления металлов по сравнению с реверберационной печью или мартеновской печью. Их вместимость варьируется от одного килограмма до ста тонн. В процессе работы индукционные печи часто издают пронзительный визг или гул, зависящий от рабочей частоты. В них плавят железо и сталь, медь, алюминий и драгоценные металлы. Благодаря чистоте и бесконтактности процесса, индукционный нагрев может применяться в вакууме или инертной атмосфере. Вакуумные печи используют индукционный нагрев для производства специальных сталей и других сплавов, которые окисляются при нагревании на воздухе.
Сварка
Аналогичный, но менее масштабный процесс используется для индукционной сварки. Пластмассы также могут быть сварены индукционным способом, если они содержат ферромагнитную керамику (где магнитный гистерезис частиц обеспечивает необходимое тепло) или металлические частицы. Швы труб могут быть сварены таким образом. Индуцированные в трубе токи проходят вдоль открытого шва и нагревают кромки, достигая температуры, достаточной для сварки. Затем кромки шва прижимаются друг к другу, и шв сваривается. Радиочастотный ток также может подводиться к трубе через щетки, но результат остается тем же – ток течет по открытому шву, нагревая его.
Производство
В процессе быстрого индукционного 3D-печати металла проводящая проволока и защитный газ подаются через спиральное сопло, где проволока подвергается индукционному нагреву и выбрасывается из сопла в жидком состоянии для формирования трехмерных металлических структур под защитой газа. Ключевым преимуществом использования индукционного нагрева в этом процессе является значительно более высокая энерго- и материалоэффективность, а также повышенная безопасность по сравнению с другими методами аддитивного производства, такими как селективное лазерное спекание, в которых тепло передается материалу мощным лазером или электронным лучом.
Приготовление пищи
При индукционной готовке индукционная катушка внутри варочной панели нагревает дно посуды, содержащее железо, посредством магнитной индукции. Использование индукционных плит обеспечивает безопасность, эффективность (сама варочная панель не нагревается) и высокую скорость приготовления. Посуда из немагнитных металлов, такая как кастрюли с медным или алюминиевым дном, как правило, не подходит. Тепло, образующееся в дне посуды, передается пище внутри посредством теплопроводности.
Сварка
Индукционная пайка часто используется при больших сериях производства. Она обеспечивает равномерные результаты и отличается высокой повторяемостью. Индукционная пайка применяется во многих типах промышленного оборудования. Например, индукция используется для пайки твердосплавных режущих пластин на вал.
Закрытие
Индукционный нагрев применяется для герметизации горлышек контейнеров в пищевой и фармацевтической промышленности. Слой алюминиевой фольги помещается поверх отверстия бутылки или банки и нагревается индукционным способом для сплавления с контейнером. Это обеспечивает защиту от несанкционированного вскрытия, так как изменение содержимого требует повреждения фольги.
Нагрев по мере необходимости
Индукционный нагрев часто применяется для нагрева детали, вызывая её расширение перед установкой или сборкой. Подшипники обычно нагревают таким способом, используя частоту сети (50/60 Гц) и ламинированный стальной сердечник трансформаторного типа, расположенный в центре подшипника.
Тепловая обработка
Индукционный нагрев часто используется в термической обработке металлических изделий. Наиболее распространенными областями применения являются индукционная закалка стальных деталей, индукционная пайка и сварка для соединения металлических компонентов, а также индукционный отжиг для селективного смягчения участка стальной детали. Индукционный нагрев позволяет достигать высокой плотности мощности, что обеспечивает короткое время воздействия для достижения необходимой температуры. Это обеспечивает точный контроль схемы нагрева, которая тесно следует приложенному магнитному полю, и позволяет снизить тепловые деформации и повреждения. Эта возможность может быть использована при закалке для получения деталей с различными свойствами. Наиболее распространенный процесс закалки – это локальная поверхностная закалка области, требующей износостойкости, при сохранении вязкости исходной структуры в других местах. Глубина индукционно закаленного слоя может регулироваться выбором частоты индукции, плотности мощности и времени воздействия. Ограничения гибкости процесса связаны с необходимостью изготовления специализированных индукторов для многих применений. Это достаточно дорогостоящее решение, требующее обеспечения высоких плотностей тока в небольших медных индукторах, что может потребовать специализированной разработки и "подгонки медных элементов".
Обработка пластмасс
Индукционный нагрев используется в машинах для литья пластмасс под давлением. Индукционный нагрев повышает энергоэффективность процессов литья под давлением и экструзии. Тепло генерируется непосредственно в цилиндре машины, что сокращает время разогрева и потребление энергии. Индукционная катушка может быть расположена снаружи теплоизоляции, поэтому она работает при низких температурах и имеет длительный срок службы. Используемая частота варьируется от 30 кГц до 5 кГц, уменьшаясь для цилиндров большего диаметра. Снижение стоимости инверторного оборудования сделало индукционный нагрев все более востребованным. Индукционный нагрев также может применяться к пресс-формам, обеспечивая более равномерную температуру пресс-формы и улучшенное качество продукции.
Пиролиз
Индукционный нагрев используется для получения биоугля в процессе пиролиза биомассы. Тепло генерируется непосредственно в стенках реактора с перемешиванием, обеспечивая пиролиз биомассы с хорошим смешиванием и контролем температуры.
Подробности
Основная установка – это источник питания переменного тока, обеспечивающий электричество низким напряжением, но очень высоким током и высокой частотой. Заготовка для нагрева помещается внутрь воздушной катушки, приводимой в действие источником питания, обычно в сочетании с резонансным конденсатором для увеличения реактивной мощности. Переменное магнитное поле индуцирует вихревые токи в заготовке. Частота индуктивного тока определяет глубину проникновения индуцированных вихревых токов в заготовку. В простейшем случае цельного круглого стержня индуцированный ток экспоненциально уменьшается от поверхности. Глубина проникновения, в которой будет сконцентрировано 86% мощности, может быть вычислена по формуле , где – глубина в метрах, – удельное электрическое сопротивление заготовки в ом-метрах, – безразмерная относительная магнитная проницаемость заготовки, а – частота переменного поля в Гц. Переменное магнитное поле можно рассчитать по формуле: эквивалентное сопротивление заготовки и, следовательно, эффективность являются функцией диаметра заготовки, деленного на глубину проникновения , быстро увеличиваясь до примерно . Уменьшение глубины проникновения требует увеличения частоты. Поскольку стоимость индукционных источников питания возрастает с частотой, источники часто оптимизируются для достижения критической частоты, при которой, если работать ниже этой частоты, эффективность нагрева снижается, поскольку вихревые токи с обеих сторон заготовки сталкиваются и взаимно гасятся. Увеличение частоты сверх критической частоты дает незначительное дальнейшее улучшение эффективности нагрева, хотя это используется в приложениях, предназначенных для термообработки только поверхности заготовки. Глубина проникновения изменяется с температурой, поскольку удельное сопротивление и магнитная проницаемость зависят от температуры. Для стали относительная магнитная проницаемость падает до 1 выше температуры Кюри. Таким образом, глубина проникновения может изменяться с температурой в 2–3 раза для немагнитных проводников и до 20 раз для магнитных сталей. + Области применения частотных диапазонов Частота (кГц) Тип заготовки 5–30 Толстые материалы (например, сталь при 815 °C с диаметром 50 мм и более). 100–400 Небольшие заготовки или небольшая глубина проникновения (например, сталь при 815 °C с диаметром 5–10 мм или сталь при 25 °C с диаметром около 0,1 мм). 480 Микроскопические детали
Магнитные материалы улучшают процесс индукционного нагрева благодаря гистерезису. Материалы с высокой проницаемостью (100–500) легче нагреваются индукционным способом. Нагрев гистерезисом происходит ниже температуры Кюри, когда материалы сохраняют свои магнитные свойства. Высокая проницаемость ниже температуры Кюри в заготовке является полезной. Разность температур, масса и удельная теплоемкость влияют на нагрев заготовки. Передача энергии при индукционном нагреве зависит от расстояния между катушкой и заготовкой. Потери энергии происходят из-за теплопроводности от заготовки к приспособлению, естественной конвекции и теплового излучения. Индукционная катушка обычно изготавливается из медных трубок с жидкостным охлаждением. Диаметр, форма и количество витков влияют на эффективность и картину поля.
Печь типа "сердечник"
Печь состоит из круглого очага, содержащего шихту для плавки в форме кольца. Металлическое кольцо имеет большой диаметр и магнитно связано с электрической обмоткой, питаемой источником переменного тока. По сути, это трансформатор, в котором шихта, подлежащая нагреву, образует одновитковую вторичную обмотку короткого замыкания и магнитно связана с первичной обмоткой посредством железного сердечника.